Última milla (telecomunicaciones)

La última milla o último kilómetro es una frase ampliamente utilizada en las industrias de telecomunicaciones, televisión por cable e Internet para referirse al tramo final de las redes de telecomunicaciones que entregan servicios de telecomunicaciones. servicios a usuarios finales minoristas (clientes). Más específicamente, la última milla describe la parte de la cadena de la red de telecomunicaciones que llega físicamente a las instalaciones del usuario final. Algunos ejemplos son las líneas de abonado de alambre de cobre que conectan teléfonos fijos a la central telefónica local; las caídas del servicio de cable coaxial transportan señales de televisión por cable desde los postes de servicios públicos hasta los suscriptores. hogares y torres celulares que conectan los teléfonos celulares locales a la red celular. La palabra "milla" se usa metafóricamente; la longitud del enlace de última milla puede ser más o menos de una milla. Dado que el último kilómetro de una red para el usuario es, por el contrario, el primer kilómetro desde las instalaciones del usuario hasta el mundo exterior cuando el usuario envía datos, el término primer kilómetro también se utiliza alternativamente.

La última milla suele ser el cuello de botella de velocidad en las redes de comunicación; su ancho de banda limita efectivamente la cantidad de datos que se pueden entregar al cliente. Esto se debe a que las redes de telecomunicaciones minoristas tienen la topología de 'árboles', con relativamente pocas redes 'troncales' de alta capacidad. canales de comunicación que se ramifican para alimentar muchas "ramitas" de la milla final. Los enlaces de última milla, que son los más numerosos y, por lo tanto, la parte más cara del sistema, además de tener que interactuar con una amplia variedad de equipos de usuario, son los más difíciles de actualizar a la nueva tecnología. Por ejemplo, las líneas telefónicas troncales que transportan llamadas telefónicas entre centros de conmutación están hechas de fibra óptica moderna, pero la última milla suele ser cables de par trenzado, una tecnología que se ha mantenido esencialmente sin cambios durante más de un siglo desde la instalación original de cables telefónicos de cobre.

En los últimos años, el uso del término "última milla" se ha expandido fuera de las industrias de comunicaciones, para incluir otras redes de distribución que entregan bienes a los clientes, como las tuberías que entregan agua y gas natural a las instalaciones del cliente, y los tramos finales de los servicios de entrega de paquetes y correo. El término también se ha utilizado para describir a los proveedores de educación y capacitación que vinculan más estrechamente a las personas con las oportunidades laborales.

Problemas existentes en el sistema de entrega

Representación esquemática de la topología de árboles de las redes de distribución minorista. Los enlaces "último milla" están representados por las líneas finas en la parte inferior.

La creciente demanda mundial de comunicación de información rápida, de baja latencia y de alto volumen a hogares y empresas ha hecho que la distribución y entrega de información económica sea cada vez más importante. A medida que aumenta la demanda, impulsada en particular por la adopción generalizada de Internet, también se ha disparado la necesidad de un acceso económico de alta velocidad por parte de los usuarios finales ubicados en millones de ubicaciones.

Como los requisitos han cambiado, los sistemas y redes existentes que inicialmente se pusieron en servicio para este propósito han demostrado ser inadecuados. Hasta la fecha, aunque se han probado varios enfoques, no existe una única solución clara al 'problema de la última milla' ha surgido.

Como expresa la ecuación de Shannon para la capacidad de información del canal, la omnipresencia de ruido en los sistemas de información establece un requisito mínimo de relación señal a ruido (abreviado como S/N) en un canal, incluso cuando el ancho de banda espectral es adecuado. está disponible. Dado que la integral de la tasa de transferencia de información con respecto al tiempo es la cantidad de información, este requisito conduce a una energía mínima correspondiente por bit. El problema de enviar cualquier cantidad dada de información a través de un canal puede verse, por lo tanto, en términos de enviar suficiente energía portadora de información (ICE). Por esta razón, el concepto de 'tubería' ICE o 'conducto' es relevante y útil para examinar los sistemas existentes.

La distribución de información a un gran número de usuarios finales ampliamente separados se puede comparar con la distribución de muchos otros recursos. Algunas analogías familiares son:

• Distribución de sangre a un gran número de células sobre un sistema de venas, arterias y capilares
• Distribución de agua por un sistema de riego por goteo a plantas individuales, incluyendo ríos, acueductos, redes de agua, etc.
• Nourishment a las hojas de una planta a través de raíces, tronco y ramas.

Todos estos tienen en común conductos que transportan una cantidad relativamente pequeña de un recurso a corta distancia a una gran cantidad de puntos finales separados físicamente. También son comunes los conductos que soportan un flujo más voluminoso, que se combinan y transportan muchas porciones individuales a lo largo de distancias mucho mayores. Los conductos más cortos y de menor volumen, que individualmente sirven solo a uno o una pequeña fracción de los puntos finales, pueden tener una longitud combinada mucho mayor que los de mayor capacidad. Estos atributos comunes se muestran a la derecha.

Costos y eficiencia

Los conductos de alta capacidad de estos sistemas tienden a tener también en común la capacidad de transferir el recurso de manera eficiente a larga distancia. Solo una pequeña fracción del recurso que se transfiere se desperdicia, se pierde o se desvía. No se puede decir necesariamente lo mismo de los conductos de menor capacidad.

Un motivo tiene que ver con la eficiencia de la escala. Los conductos que están ubicados más cerca del punto final, o del usuario final, no tienen individualmente tantos usuarios que los apoyen. Aunque son más pequeños, cada uno tiene la sobrecarga de una "instalación" obtener y mantener un camino adecuado sobre el cual el recurso puede fluir. La financiación y los recursos que respaldan estos conductos más pequeños tienden a provenir del lugar inmediato.

Esto puede tener la ventaja de un "modelo de gobierno pequeño". Es decir, la gestión y los recursos de estos conductos son proporcionados por entidades locales y, por lo tanto, pueden optimizarse para lograr las mejores soluciones en el entorno inmediato y también para aprovechar al máximo los recursos locales. Sin embargo, las eficiencias operativas más bajas y los gastos de instalación relativamente mayores, en comparación con las capacidades de transferencia, pueden hacer que estos conductos más pequeños, en conjunto, sean la parte más costosa y difícil del sistema de distribución completo.

Estas características se han mostrado en el nacimiento, crecimiento y financiación de Internet. La primera comunicación entre computadoras tendía a lograrse con conexiones alámbricas directas entre computadoras individuales. Estos se convirtieron en grupos de pequeñas redes de área local (LAN). El conjunto de protocolos TCP/IP nació de la necesidad de conectar varias de estas LAN entre sí, particularmente en relación con proyectos comunes entre el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, la industria y algunas instituciones académicas.

ARPANET nació para promover estos intereses. Además de proporcionar una forma para que múltiples computadoras y usuarios compartan una conexión común entre redes LAN, los protocolos TCP/IP proporcionaron una forma estandarizada para que computadoras y sistemas operativos diferentes intercambien información a través de esta interred. La financiación y el apoyo para las conexiones entre las LAN podrían repartirse entre una o incluso varias LAN.

A medida que se agregaba cada nueva LAN o subred, los integrantes de la nueva subred disfrutaban de acceso a la red mayor. Al mismo tiempo, la nueva subred permitió el acceso a cualquier red o redes con las que ya estaba conectado. Por lo tanto, el crecimiento se convirtió en una situación mutuamente inclusiva o "ganar-ganar" evento.

Economías de escala

En general, la economía de escala hace que un aumento en la capacidad de un conducto sea menos costoso a medida que aumenta la capacidad. Hay una sobrecarga asociada con la creación de cualquier conducto. Esta sobrecarga no se repite a medida que aumenta la capacidad dentro del potencial de la tecnología que se utiliza.

A medida que Internet ha crecido en tamaño, según algunas estimaciones, duplicando el número de usuarios cada dieciocho meses, la economía de escala ha resultado en conductos de información cada vez más grandes que brindan conexiones troncales de mayor distancia y mayor capacidad. En los últimos años, la capacidad de comunicación por fibra óptica, con la ayuda de una industria de apoyo, ha resultado en una expansión de la capacidad bruta, tanto que en los Estados Unidos una gran cantidad de infraestructura de fibra instalada no se está utilizando porque actualmente está exceso de capacidad "fibra oscura".

Este exceso de capacidad troncal existe a pesar de la tendencia de aumentar las tasas de datos por usuario y la cantidad total de datos. Inicialmente, solo las conexiones entre LAN eran de alta velocidad. Los usuarios finales usaban líneas telefónicas y módems existentes, que eran capaces de velocidades de datos de solo unos pocos cientos de bit/s. Ahora, casi todos los usuarios finales disfrutan de acceso a 100 o más veces las tarifas iniciales.

Transferencia de información económica

Antes de considerar las características de los mecanismos de entrega de información de última milla existentes, es importante examinar más a fondo qué hace que los conductos de información sean efectivos. Como muestra el teorema de Shannon-Hartley, es la combinación del ancho de banda y la relación señal/ruido lo que determina la velocidad máxima de información de un canal. El producto de la tasa de información promedio y el tiempo da como resultado la transferencia de información total. En presencia de ruido, esto corresponde a una cierta cantidad de energía transportadora de información (ICE) transferida. Por lo tanto, la economía de la transferencia de información puede verse en términos de la economía de la transferencia de ICE.

Los conductos de última milla efectivos deben:

1. Entregar la energía de señal, S — (debe tener suficiente capacidad de señalización).
2. Experiencia baja pérdida (bajo ocurrencia de conversión a formas de energía inutilizables).
3. Soporte ancho de banda de transmisión.
4. Entregar alta relación de señal a ruido (SNR) — baja potencia no deseada de señal (Noise), N.
5. Proveer conectividad nómada.

Además de estos factores, una buena solución al problema de la última milla debe proporcionar a cada usuario:

1. Alta disponibilidad y fiabilidad.
2. Baja latencia; latencia debe ser pequeña en comparación con los tiempos de interacción requeridos.
3. Alta capacidad por usuario.
   1. Un conducto que se comparte entre múltiples usuarios finales debe proporcionar una capacidad correspondientemente superior para apoyar adecuadamente a cada usuario individual. Esto debe ser cierto para la transferencia de información en cada dirección.
   2. Asequibilidad; la capacidad adecuada debe ser financieramente viable.

Sistemas de entrega de última milla existentes

Sistemas cableados (incluyendo fibra óptica)

Los sistemas cableados proporcionan conductos guiados para la energía portadora de información (ICE). Todos tienen algún grado de protección, lo que limita su susceptibilidad a las fuentes de ruido externas. Estas líneas de transmisión tienen pérdidas que son proporcionales a la longitud. Sin la adición de la amplificación periódica, existe una longitud máxima más allá de la cual todos estos sistemas no logran entregar una relación S/N adecuada para soportar el flujo de información. Los sistemas de fibra óptica dieléctrica soportan un flujo más pesado a un costo más alto.

Redes de área local (LAN)

Los sistemas tradicionales de redes de área local por cable requieren que se instale un cable coaxial de cobre o un par trenzado entre dos o más de los nodos de la red. Los sistemas comunes funcionan a 100 Mbit/s y los más nuevos también admiten 1000 Mbit/s o más. Si bien la longitud puede estar limitada por los requisitos de detección y prevención de colisiones, la pérdida de señal y los reflejos sobre estas líneas también definen una distancia máxima. La disminución de la capacidad de información disponible para un usuario individual es aproximadamente proporcional al número de usuarios que comparten una LAN.

Teléfono

A fines del siglo XX, las mejoras en el uso de las líneas telefónicas de cobre existentes aumentaron sus capacidades si se controla la longitud máxima de la línea. Con soporte para mayor ancho de banda de transmisión y modulación mejorada, estos esquemas de línea de abonado digital han aumentado la capacidad de 20 a 50 veces en comparación con los sistemas de banda de voz anteriores. Estos métodos no se basan en alterar las propiedades físicas fundamentales y las limitaciones del medio, que, además de la introducción de los pares trenzados, no son diferentes hoy en día que cuando Bell Telephone Company abrió la primera central telefónica en 1877.

La historia y la larga vida de la infraestructura de comunicaciones basada en cobre es tanto un testimonio de la capacidad de obtener un nuevo valor a partir de conceptos simples a través de la innovación tecnológica como una advertencia de que la infraestructura de comunicaciones de cobre está comenzando a ofrecer rendimientos decrecientes para la inversión continua. Sin embargo, uno de los costos más grandes asociados con el mantenimiento de una infraestructura de cobre envejecida es el de los camiones: enviar ingenieros para probar físicamente, reparar, reemplazar y proporcionar nuevas conexiones de cobre, y este costo es particularmente frecuente en la prestación de servicios de banda ancha rural sobre cobre. Las nuevas tecnologías como G.Fast y VDSL2 ofrecen soluciones viables de alta velocidad para el suministro de banda ancha rural sobre el cobre existente. A la luz de esto, muchas empresas han desarrollado conexiones cruzadas automatizadas (marcos de distribución automatizados basados en gabinetes) para eliminar la incertidumbre y el costo asociado con el mantenimiento de los servicios de banda ancha sobre el cobre existente, estos sistemas generalmente incorporan alguna forma de conmutación automatizada y algunos incluyen funcionalidad de prueba que permite que un ISP representante para completar operaciones que antes requerían una visita al sitio (truck roll) desde la oficina central a través de una interfaz web. En muchos países, el enlace de última milla que conecta a los clientes de telefonía comercial fija con la central telefónica local suele ser un ISDN30 que puede transportar 30 llamadas telefónicas simultáneas.

CATV

Los sistemas de televisión de antena comunitaria, también conocidos como televisión por cable, se han ampliado para proporcionar comunicación bidireccional a través de los cables físicos existentes. Sin embargo, por naturaleza son sistemas compartidos y el espectro disponible para el flujo inverso de información y la S/N alcanzable son limitados. Como se hizo para la comunicación de TV unidireccional inicial, la pérdida de cable se mitiga mediante el uso de amplificadores periódicos dentro del sistema. Estos factores establecen un límite superior en la capacidad de información por usuario, particularmente cuando muchos usuarios comparten una sección común de cable o red de acceso.

Fibra óptica

La fibra ofrece una alta capacidad de información y, después del comienzo del siglo XXI, se convirtió en el medio desplegado elegido ("Fiber to the x") debido a su escalabilidad frente a los crecientes requisitos de ancho de banda de las aplicaciones modernas.

En 2004, según Richard Lynch, vicepresidente ejecutivo y director de tecnología del gigante de las telecomunicaciones Verizon, la empresa vio que el mundo avanzaba hacia aplicaciones de ancho de banda mucho más altas, ya que a los consumidores les encantaba todo lo que la banda ancha tenía para ofrecer y devoraban con entusiasmo tanto como podría obtener, incluido el contenido bidireccional generado por el usuario. Las redes coaxiales y de cobre no satisfarían, de hecho, no podrían satisfacer estas demandas, lo que precipitó el movimiento agresivo de Verizon hacia la fibra hasta el hogar a través de FiOS.

La fibra es una tecnología preparada para el futuro que satisface las necesidades de los usuarios actuales, pero a diferencia de otros medios inalámbricos de última milla basados en cobre, también tiene la capacidad para los años venideros, al actualizar el punto final. óptica y electrónica sin cambiar la infraestructura de fibra. La fibra en sí se instala en la infraestructura de conductos o postes existente y la mayor parte del costo está en mano de obra, lo que brinda un buen estímulo económico regional en la fase de implementación y proporciona una base fundamental para el futuro comercio regional.

Las líneas de cobre fijas han sido objeto de robo debido al valor del cobre, pero las fibras ópticas son objetivos poco atractivos. Las fibras ópticas no se pueden convertir en nada más, mientras que el cobre se puede reciclar sin pérdidas.

Sistemas de entrega inalámbricos

Mobile CDN acuñó el término 'milla móvil' para categorizar la conexión de última milla cuando se usa un sistema inalámbrico para llegar al cliente. A diferencia de los sistemas de entrega por cable, los sistemas inalámbricos utilizan ondas no guiadas para transmitir ICE. Todos tienden a no estar blindados y tienen un mayor grado de susceptibilidad a fuentes de ruido y señales no deseadas.

Debido a que estas ondas no son guiadas sino que divergen, en el espacio libre estos sistemas se atenúan siguiendo una ley del inverso del cuadrado, inversamente proporcional a la distancia al cuadrado. Por lo tanto, las pérdidas aumentan más lentamente al aumentar la longitud que en los sistemas cableados, cuyas pérdidas aumentan exponencialmente. En un entorno de espacio libre, más allá de una longitud determinada, las pérdidas en un sistema inalámbrico son menores que las de un sistema cableado.

En la práctica, la presencia de la atmósfera, y especialmente las obstrucciones causadas por el terreno, los edificios y el follaje, pueden aumentar considerablemente la pérdida por encima del valor del espacio libre. La reflexión, la refracción y la difracción de las ondas también pueden alterar sus características de transmisión y requieren sistemas especializados para adaptarse a las distorsiones que las acompañan.

Los sistemas inalámbricos tienen una ventaja sobre los sistemas alámbricos en aplicaciones de última milla al no requerir la instalación de líneas. Sin embargo, también tienen la desventaja de que su naturaleza no guiada los hace más susceptibles a ruidos y señales no deseados. Por lo tanto, la reutilización espectral puede ser limitada.

Ondas de luz y óptica de espacio libre

Las ondas de luz visible e infrarroja son mucho más cortas que las ondas de radiofrecuencia. Su uso para transmitir datos se conoce como comunicación óptica de espacio libre. Al ser cortas, las ondas de luz se pueden enfocar o colimar con una pequeña lente/antena, y en un grado mucho mayor que las ondas de radio. Así, un dispositivo receptor puede recuperar una mayor parte de la señal transmitida.

Además, debido a la alta frecuencia, es posible que haya disponible una alta tasa de transferencia de datos. Sin embargo, en entornos prácticos de última milla, las obstrucciones y el desvío de estos haces, y la absorción por parte de los elementos de la atmósfera, incluidas la niebla y la lluvia, especialmente en trayectos más largos, pueden restringir en gran medida su uso para las comunicaciones inalámbricas de última milla.

Ondas de radio

Las radiofrecuencias (RF), desde las bajas frecuencias hasta la región de las microondas, tienen longitudes de onda mucho más largas que la luz visible. Aunque esto significa que no es posible enfocar los haces tan estrechamente como para la luz, también significa que la apertura o el 'área de captura' Incluso la antena omnidireccional más simple es significativamente más grande que la de una lente en cualquier sistema óptico factible. Esta característica da como resultado una atenuación mucho mayor o "pérdida de trayectoria" para sistemas que no son altamente direccionales.

En realidad, el término pérdida de ruta es algo inapropiado porque no se pierde energía en una ruta de espacio libre. Más bien, simplemente no es recibido por la antena receptora. La reducción aparente en la transmisión, a medida que aumenta la frecuencia, es un artefacto del cambio en la apertura de un tipo dado de antena.

En relación con el problema de la última milla, estas longitudes de onda más largas tienen una ventaja sobre las ondas de luz cuando se consideran transmisiones omnidireccionales o sectorizadas. La mayor apertura de las antenas de radio da como resultado niveles de señal mucho mayores para una longitud de ruta dada y, por lo tanto, una mayor capacidad de información. Por otro lado, las frecuencias portadoras más bajas no son capaces de soportar los altos anchos de banda de información, que son requeridos por la ecuación de Shannon cuando se alcanzan los límites prácticos de S/N.

Por las razones anteriores, los sistemas de radio inalámbricos son óptimos para comunicaciones de transmisión de baja capacidad de información entregadas a través de rutas más largas. Para alta capacidad de información, punto a punto altamente directivo en distancias cortas, los sistemas inalámbricos de ondas de luz son los más útiles.

Comunicaciones de radio y televisión unidireccionales (difusión)

Históricamente, la mayoría de las transmisiones de alta capacidad de información han utilizado frecuencias más bajas, generalmente no más altas que la región de televisión UHF, y la televisión en sí misma es un excelente ejemplo. La televisión terrestre generalmente se ha limitado a la región por encima de 50 MHz donde hay suficiente ancho de banda de información disponible, y por debajo de 1000 MHz, debido a problemas asociados con una mayor pérdida de ruta, como se mencionó anteriormente.

Comunicaciones inalámbricas bidireccionales

Los sistemas de comunicación bidireccional se han limitado principalmente a aplicaciones de menor capacidad de información, como audio, facsímil o radioteletipo. En su mayor parte, los sistemas de mayor capacidad, como las comunicaciones de video bidireccionales o los troncales de datos y teléfonos de microondas terrestres, han sido limitados y confinados a UHF o microondas ya trayectos punto a punto.

Los sistemas de mayor capacidad, como los sistemas de telefonía celular de tercera generación, requieren una gran infraestructura de sitios celulares más próximos entre sí para mantener las comunicaciones dentro de entornos típicos, donde las pérdidas de ruta son mucho mayores que en el espacio libre y que también requieren acceso omnidireccional por Los usuarios.

Comunicaciones por satélite

Para la entrega de información a los usuarios finales, los sistemas satelitales, por naturaleza, tienen longitudes de ruta relativamente largas, incluso para satélites en órbita terrestre baja. También son muy costosos de implementar y, por lo tanto, cada satélite debe servir a muchos usuarios. Además, las trayectorias muy largas de los satélites geoestacionarios provocan una latencia de la información que hace que muchas aplicaciones en tiempo real sean inviables.

Como solución al problema de la última milla, los sistemas satelitales tienen limitaciones de aplicación y uso compartido. El ICE que transmiten debe estar repartido en un área geográfica relativamente grande. Esto hace que la señal recibida sea relativamente pequeña, a menos que se utilicen antenas terrestres direccionales o muy grandes. Existe un problema paralelo cuando un satélite está recibiendo.

En ese caso, el sistema satelital debe tener una capacidad de información muy grande para acomodar una multitud de usuarios compartidos y cada usuario debe tener una antena grande, con los requisitos de directividad y puntería correspondientes, para obtener incluso una tasa de información modesta. transferir. Estos requisitos hacen que los sistemas de información bidireccionales de alta capacidad de información no sean económicos. Esta es una de las razones por las que el sistema de satélites Iridium no tuvo más éxito.

Difusión frente a punto a punto

Para los sistemas terrestres y satelitales, las comunicaciones económicas, de alta capacidad y de última milla requieren sistemas de transmisión punto a punto. Excepto en áreas geográficas extremadamente pequeñas, los sistemas de transmisión solo pueden ofrecer relaciones S/N altas en frecuencias bajas donde no hay suficiente espectro para soportar la gran capacidad de información que necesita una gran cantidad de usuarios. Aunque la "inundación" de una región, estos sistemas tienen la característica fundamental de que la mayor parte del ICE radiado nunca llega al usuario y se desperdicia.

A medida que aumentan los requisitos de información, los sistemas de malla inalámbrica de transmisión (también conocidos como microcélulas o nanocélulas) que son lo suficientemente pequeños para proporcionar una distribución de información adecuada hacia y desde un número relativamente pequeño de usuarios locales requieren una cantidad prohibitivamente grande de transmisión. ubicaciones o puntos de presencia junto con una gran cantidad de exceso de capacidad para compensar la energía desperdiciada.

Sistema intermedio

Recientemente, se ha descubierto un nuevo tipo de transporte de información a medio camino entre los sistemas cableados e inalámbricos. Llamado E-Line, utiliza un solo conductor central pero no tiene conductor externo ni blindaje. La energía se transporta en una onda plana que, a diferencia de la radio, no diverge, mientras que, al igual que la radio, no tiene una estructura guía externa.

Este sistema exhibe una combinación de los atributos de los sistemas alámbricos e inalámbricos y puede admitir una alta capacidad de información utilizando las líneas eléctricas existentes en una amplia gama de frecuencias, desde RF hasta microondas.

Agregación de líneas

La agregación es un método de unir varias líneas para lograr una conexión más rápida y confiable. Algunas empresas creen que la agregación de ADSL (o 'bonding') es la solución al problema de la última milla del Reino Unido.